CN114325505A - 一种微焊点原位电迁移测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种微焊点原位电迁移测试系统和方法，本系统包括：金相探测装置、测试仓体、热感装置、干燥物质和直流电源；直流电源用于对微焊点通入直流电流，金相探测装置用于获取微焊点的形貌表征和尺寸，并计算得到直流电流值，热感装置用于监测微焊点温度，干燥物质用于对测试仓体内的空气进行干燥处理；本方法包括：获取微焊点形貌表征和焊点尺寸，计算得到直流电流值；向微焊点通入直流电流，对微焊点进行疲劳测试，得到微焊点的原位电迁移数据图，完成微焊点原位电迁移测试。本申请能够使微焊点不产生氧化反应，从而实现微焊点电迁移的原位表征测试。

Description

一种微焊点原位电迁移测试系统和方法

技术领域

本申请属于电子封装技术领域，具体涉及一种微焊点原位电迁移测试系统和方法。

背景技术

电子封装中包括了各种晶体管、裸芯片、引线、电路、基板和其它封装材料等，这些材料按照规定或设计的要求进行合理密封、布置、固定和连接，所以点电子封装中会存在大量的微焊点连接。在电子封装系统中，微焊点的可靠性决定了电子产品的性能和可靠性，微焊点失效成为电子产品失效的主要原因之一。电迁移现象是在高密度电流作用下微焊点钎料基体中的金属原子沿电流同向或反向运动造成的两相分离(偏析)、相的粗化、相的极性或反极性长大以及空洞等现象。电迁移会导致微焊点电阻或电阻率的变化，电阻或电阻率的变化程度可作为评价电迁移现象严重程度的重要依据。电迁移可靠性是评价电子焊料可靠性的一个重要指标。

电子焊料的电迁移测试首先要制备质量满足要求的微焊点，目前微焊点电迁移测试结构大多采用“PCB板/微焊点/PCB板”结构或“Cu/微焊点/Cu”结构，但是在通电过程中，由于微焊点暴露在外界，不仅与氧气接触，还容易被外界的灰尘所污染，并且通电过程中焊点的温度较高，更容易使焊点氧化，无法对焊点进行原位观察，导致不能够清楚地观察焊点内部晶粒的变化。如何对焊点在电迁移完成后依然能够进行原位观察，是本领域急需解决的问题。

发明内容

本申请提出了一种微焊点原位电迁移测试系统和方法，通过制作特殊的测试环境，对电迁移过程中的焊点进行保护，以实现焊点的原位表征和电迁移后的原位检测。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

一种微焊点原位电迁移测试系统，包括：金相探测装置、测试仓体、热感装置、干燥物质和直流电源；

所述金相探测装置用于扫描微焊点，得到所述微焊点的焊点尺寸、原始形貌表征和测试形貌表征；

所述焊点尺寸用于得到所述直流电源的直流电流值；

所述原始形貌表征和所述测试形貌表征用于得到所述微焊点的原位电迁移测试结果；

所述热感装置用于监测所述微焊点的温度；

所述干燥物质用于对所述测试仓体内的空气进行干燥处理；

所述直流电源用于对所述微焊点通入直流电流；

所述热感装置、所述干燥物质和所述微焊点均位于所述测试仓体内部。

可选的，所述测试仓体为密闭仓体；

所述密闭仓体包括仓体和仓盖；

所述仓体设有开口，所述仓盖用于遮盖所述仓体的开口；

所述仓体的开口与所述仓盖间涂覆有密封胶体。

可选的，所述热感装置包括热电极和分度表；

所述热电极用于探测所述微焊点的温度生成热电动势；

所述分度表用于根据所述热电动势显示所述微焊点的温度。

可选的，所述仓盖设有孔洞；

所述微焊点的一侧通过正极导线与所述直流电源的正极相连，所述微焊点的另一侧通过负极导线与所述直流电源的负极相连；

所述热电极和所述分度表通过温感导线连接；

所述正极导线、所述负极导线和所述温感导线均穿过所述孔洞；

所述孔洞涂覆有密封胶体。

可选的，所述直流电源为可调恒流电源。

可选的，所述干燥物质为变色硅胶。

本申请还公开了一种微焊点原位电迁移测试方法，包括如下步骤：

S1.获取微焊点的初始形貌表征和焊点尺寸，基于所述焊点尺寸得到通过所述微焊点的直流电流值；

S2.基于所述直流电流值，向所述微焊点通入直流电流，对所述微焊点进行疲劳测试，同时监测所述微焊点的焊点温度，若所述焊点温度出现异常升高，则切断所述直流电流，并重复所述S1-S2；否则，进入S3；

S3.测试进行至预设时长后，获取所述微焊点的测试形貌表征，基于所述初始形貌表征和所述测试形貌表征得到所述微焊点的原位电迁移数据图，完成微焊点原位电迁移测试。

可选的，所述S2中，所述疲劳测试的方法还包括：

S2.1.使用干燥物质对所述疲劳测试的环境进行干燥处理；

S2.2.将所述微焊点置于所述疲劳测试的环境中后，向所述微焊点通入直流电流，同时监测所述微焊点的焊点温度；

S2.3.对所述疲劳测试的环境进行密封处理。

本申请的有益效果为：

本申请公开了一种微焊点原位电迁移测试系统和方法，通过实时监测焊点温度变化，能够及时观察到焊点温度异常变化，避免测试结果误差；通过营造一个干燥、封闭的电迁移测试环境，使微焊点不产生氧化反应，从而实现微焊点电迁移的原位表征测试；本申请的测试系统，结构简单，测试难度低，测试方法简便、容易实现。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一种微焊点原位电迁移测试系统结构示意图；

图2为本申请实施例一种微焊点原位电迁移测试方法流程示意图；

图3为本申请实施例中疲劳测试流程示意图；

图4是采用本申请实施例二的方法中一号重熔焊点的初始表征；

图5是采用本申请实施例二的方法中一号重熔焊点电迁移一周期后的原位表征；

图6是采用本申请实施例二的方法中二号重熔焊点的初始表征；

图7是采用本申请实施例二的方法中二号重熔焊点电迁移一周期后的原位表征；

图8是采用本申请实施例二的方法中二号重熔焊点电迁移二周期后的原位表征。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，为本申请实施例一种微焊点原位电迁移测试系统结构示意图。图中所示包括测试仓体、直流电源、干燥物质和热感装置。

在本实施例中，测试用微焊点采用PCB板/微焊点/PCB板结构或Cu/微焊点/Cu结构，其形貌表征通过金相扫描电子显微镜获得，由于扫描电镜为单独设备，图1中未作表示。通过电迁移测试前后的形貌表征，获得电迁移测试结果。

在本实施例中，测试仓体为密闭仓体，包括仓体和仓盖两部分，仓体上部设有开口，仓盖可以完全遮盖仓体的开口。为了能够实时观察测试仓体内的实验进展情况，本实施例采用透明玻璃材质的干燥皿作为仓体，以6mm厚度的钢化玻璃作为仓盖。

干燥皿中提前放入干燥物质，通过吸附干燥皿内空气水分，创造一种干燥的空气环境，且实验过程中干燥物质持续留在干燥皿中。在本实施例中，采用变色硅胶作为干燥物质，变色硅胶对水气具有极强的吸附作用，同时还能根据吸湿后的颜色改变，判断空气中水气情况。在玻璃仓盖上开设孔洞，孔洞直径6mm，作为仓体内外连接导线的穿孔。具体的，微焊点一端通过正极导线连接直流电源的正极，另一端连接直流电源的负极，微焊点悬于空中，正负极导线穿过仓盖上的孔洞后连接直流电源，直流电源位于测试仓体外。直流电源采用恒流可调电源，在本实施例中使用宽量程直流稳定电源PWR400L。在微焊点电迁移测试中，直流电源的电流输出大小需要根据微焊点的尺寸计算得到，同样使用金相扫描电子显微镜测量得到，再根据实验要求，取电流密度为1×10⁴A/cm²，以计算得到通过微焊点的电流值。

在本实施例中，热感装置采用热电极和分度表的组合形式，其中以热电偶作为热电极，热电偶可将温度信号转换成热电动势信号，然后由分度表将热电动势转换为温度显示。热电偶测温范围宽，性能稳定；丈量精度高，对温度变化反应灵活；温度丈量范围大，-40～+1600℃均可连续测温，是测量微小物体温度的优选方式。将热电极贴近微焊点，通过温感导线连接分度表，温感导线也从仓盖的孔洞穿过。

进一步的，为了保证测试仓体内空气环境的干燥清洁，仓体与仓盖间、仓盖上的孔洞，均涂覆密封胶体，在本实施例中，采用凡士林作为密封胶体。凡士林作为一种油性材料，质地细腻，即可达到密封的效果，又能防止物质间相互粘结。

采用本申请技术方案，能够使微焊点不产生氧化反应，从而实现微焊点电迁移的原位表征测试。

实施例二

如图2所述，为本申请实施例一种微焊点原位电迁移测试方法流程示意图。

在本实施例中，采用PCB板/微焊点/PCB板结构或者Cu/微焊点/Cu结构的微焊点，作为电迁移测试用微焊点。

S1.获取所述微焊点的初始形貌表征和焊点尺寸，基于所述焊点尺寸得到通过所述微焊点的直流电流值；

在本实施例中，采用金相电子扫描显微镜测量微焊点的尺寸，根据实验要求，取电流密度为1×10⁴A/cm²，计算得到通过微焊点的电流值；同时，在金相电子扫描显微镜下生成微焊点的初始形貌表征。

S2.基于S1计算得到的直流电流数值，向微焊点通入直流电流，对微焊点进行疲劳测试。

在本实施例中，如图3所示，疲劳测试方法包括：

S2.1.使用干燥物质对测试环境进行干燥处理。在本实施例中，干燥物质采用变色硅胶，测试环境为密闭的透明玻璃材质的测试仓体，包括仓体和仓盖两部分，仓盖开设有孔洞，供直流电源导线和温感导线穿过。

S2.2.将连接好直流电源的微焊点置于测试仓体中，悬于半空，按照S1中计算得到的直流电流值，向微焊点通入直流电；同时，使用温感装置监测微焊点的温度。在本实施例中，采用热电偶接触微焊点，通过温感导线连接分度表，实时监测微焊点的温度，微焊点的温度应当缓慢、小幅升高，如果发现微焊点温度异常升高，则说明微焊点与直流电源导线的连接有问题，需要重新连接微焊点和直流电源导线。

S2.3.为了保证测试仓体的密封性，维持一个干燥、清洁的密封测试环境，在仓体和仓盖的接触位置、以及孔洞处均涂抹密封胶体，在本实施例中，密封胶体采用凡士林。

S3.测试进行至预设时长后，使用金相电子扫描显微镜扫描微焊点，再次获取微焊点的形貌表征，通过与测试前获取的形貌表征作对比，得到所述微焊点的原位电迁移数据图，完成微焊点原位电迁移测试。

使用上述方法，能够使微焊点不产生氧化反应，从而实现微焊点电迁移的原位表征测试。

采用本申请实施例一的测试系统，并按照本申请实施例二的测试方法，对两个不同的重熔焊点进行长时间测试。为了展示本申请技术方案效果，采用随机重熔生成的方式，得到两个测试用重熔焊点，两个焊点分别标记一号重熔焊点和二号重熔焊点，焊点表征均通过金相扫描电子显微镜获取。其中，图4为一号焊点初始状态，图5是一号焊点经过电迁移测试一周期后的原位表征图，图6为二号焊点的初始状态，图7为二号焊点经过一周期后的原位表征图，图8是二号焊点经过二周期后的原位表征图，图4-8中的(a)均为晶向图，(b)均为晶界分布图，(c)均为取向差直方图，(d)均为{001}和{100}极图，可以明显看出电迁移的观测效果，及不同时长造成的电迁移差别。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种微焊点原位电迁移测试系统，其特征在于，包括：金相探测装置、测试仓体、热感装置、干燥物质和直流电源；

所述金相探测装置用于扫描微焊点，得到所述微焊点的焊点尺寸、原始形貌表征和测试形貌表征；

所述焊点尺寸用于得到所述直流电源的直流电流值；

所述原始形貌表征和所述测试形貌表征用于得到所述微焊点的原位电迁移测试结果；

所述热感装置用于监测所述微焊点的温度；

所述干燥物质用于对所述测试仓体内的空气进行干燥处理；

所述直流电源用于对所述微焊点通入直流电流；

所述热感装置、所述干燥物质和所述微焊点均位于所述测试仓体内部。

2.根据权利要求1所述的微焊点原位电迁移测试系统，其特征在于，所述测试仓体为密闭仓体；

所述密闭仓体包括仓体和仓盖；

所述仓体设有开口，所述仓盖用于遮盖所述仓体的开口；

所述仓体的开口与所述仓盖间涂覆有密封胶体。

3.根据权利要求2所述的微焊点原位电迁移测试系统，其特征在于，所述热感装置包括热电极和分度表；

所述热电极用于探测所述微焊点的温度生成热电动势；

所述分度表用于根据所述热电动势显示所述微焊点的温度。

4.根据权利要求3所述的微焊点原位电迁移测试系统，其特征在于，所述仓盖设有孔洞；

所述微焊点的一侧通过正极导线与所述直流电源的正极相连，所述微焊点的另一侧通过负极导线与所述直流电源的负极相连；

所述热电极和所述分度表通过温感导线连接；

所述正极导线、所述负极导线和所述温感导线均穿过所述孔洞；

所述孔洞涂覆有密封胶体。

5.根据权利要求1所述的微焊点原位电迁移测试系统，其特征在于，所述直流电源为可调恒流电源。

6.根据权利要求1所述的微焊点原位电迁移测试系统，其特征在于，所述干燥物质为变色硅胶。

7.一种微焊点原位电迁移测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.获取微焊点的初始形貌表征和焊点尺寸，基于所述焊点尺寸得到通过所述微焊点的直流电流值；

S2.基于所述直流电流值，向所述微焊点通入直流电流，对所述微焊点进行疲劳测试，同时监测所述微焊点的焊点温度，若所述焊点温度出现异常升高，则切断所述直流电流，并重复所述S1-S2；否则，进入S3；

S3.测试进行至预设时长后，获取所述微焊点的测试形貌表征，基于所述初始形貌表征和所述测试形貌表征得到所述微焊点的原位电迁移数据图，完成微焊点原位电迁移测试。

8.根据权利要求7所述的微焊点原位电迁移测试方法，其特征在于，所述S2中，所述疲劳测试的方法还包括：

S2.1.使用干燥物质对所述疲劳测试的环境进行干燥处理；

S2.2.将所述微焊点置于所述疲劳测试的环境中后，向所述微焊点通入直流电流，同时监测所述微焊点的焊点温度；

S2.3.对所述疲劳测试的环境进行密封处理。

Images